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材料反応速度論 / Chemical Reaction Engineering in Material Processes

単位数: 2. 担当教員: ＫＯＭＡＲＯＶＳＥＲＧＥＹＶ. 開講年度: 2024. 科目ナンバリング: TME-MSE301J.

主要授業科目/Essential Subjects

○

授業の目的・概要及び達成方法等

Google Classroomのクラスコードは工学部Webページにて確認すること。
学部シラバス・時間割(https://www.eng.tohoku.ac.jp/edu/syllabus-ug.html)

本授業は原則対面で行う。授業情報と講義資料は Google Classroom を通じて提供する。

１．目的
材料製造プロセスにおいて重要な速度論の基礎的知識を修得し、物質移動過程を含む総括反応の解析や反応装置設計に関する基礎的手法を身につけるとともに、地球環境に調和する新しい材料プロセスについて考える。
２．概要
物質移動論および反応速度論の基礎、律速段階、反応と拡散の同時進行現象、核生成と成長の速度論、反応器内の流体混合等について材料および環境プロセスの例を引いて解説する。
３．達成目標等
この授業では、主に以下のような能力を修得することを目標とする。
・本系の学習・教育目標のＡ，Ｂ，Ｋの能力を習得する。
　記号A-Mについては、マテリアル・開発系の教育目標を参照のこと。
　https://www.material.tohoku.ac.jp/department/purpose.html
・プロセス内の化学反応とその役割を理解する。
・反応と拡散の同時進行現象の考え方を理解する。
・反応効率に与える流体混合の役割を理解する。
・材料プロセスと地球環境問題との関係についての基礎的知識を得る。

授業の目的・概要及び達成方法等(Ｅ）

The class code for Google Classroom can be found on the Web site of
the School of Engineering:
https://www.eng.tohoku.ac.jp/edu/syllabus-ug.html (JP Only)

In this course, lectures will given in a lecture room on Wednesdays from 8:50 to 10:20. The class information and lecture materials will be provided via Google Classroom.

1. Goals
The main goal of this lecture coarse is to let students acquire basic knowledge of kinetics, important in materials processing, acquire basic techniques for analysis of overall reactions including mass transfer processes and reactor design, and consider new material processes that are in harmony with the global environment.

２．Outline
Such topics as mass transfer and reaction kinetics, rate-determining steps, simultaneously occurring reaction and diffusion, nucleation and growth kinetics, agitation in reactors, etc. will be explained using examples of materials and environmental processes.

3. Achievement target, etc.
The objective of this class is to acquire the following skills and abilities.
1) Acquire the skills of A, B, and K, which are the main learning and education goals.
For the symbol A-M, refer to the material and development education goals according to the JABEE
classification.
•2) Understand the features of chemical reactions and their role in the materials processing
•3) Understand the concept of simultaneously occurring chemical reactions and diffusion.
•4) Understand the role of fluid mixing on reaction efficiency.
•5) Acquire basic knowledge on the relationship between material processes and global environmental issues.

他の授業科目との関連及び履修上の注意

この授業を履修後に「移動現象論」を履修することが望ましい。

他の授業科目との関連及び履修上の注意(Ｅ）

It is desirable to take "Transport Phenomena" after taking this class.

授業計画

1. 序論講義：環境とプロセス
2. 化学反応の分類：単一反応と多重反応
3. 化学反応速度論の基礎：速度定義、速度定数、反応次数、多重反応の速度論　　
4. 反応速度の温度依存性：アレニウス法則、活性化エネルギー、衝突理論
5. 遷移状態理論: 活性錯合体, 絶対反応速度論　　　　
6. 連鎖反応速度論
7. 複合反応速度論：準定常状態近似と平衡近似
8. 物質移動の基礎
9. 固体触媒反応：吸着反応、ラングミュア吸着等温式
10. 反応と拡散の同時進行現象：未反応核モデル
11. 反応と拡散の同時進行現象：触媒反応速度論
12. ガス吸収反応
13. 溶融金属脱ガス反応
14. 蒸発・凝縮の速度論　
15. 期末テスト
　

授業計画(Ｅ）

1. Introductory lecture : Environment and processes
2. Classification of chemical reactions: single reaction and multiple reaction
3. Basics of chemical reaction kinetics: reaction rate, rate constant, reaction order, kinetics of multiple reactions
4. Temperature dependence of reaction rate: Arrhenius law, activation energy, collision theory
5. Transition state theory: Activation complexes, absolute reaction kinetics
6. Chain reaction kinetics
7. Complex kinetics: quasi-steady state approximation and equilibrium approximation
8. Basics of Mass Transfer
9. Solid catalytic reaction: adsorption reaction, Langmuir adsorption isotherm
10. Simultaneously occurring reactions and diffusion: Unreacted core model
11. Simultaneously occurring reactions and diffusion: Catalytic reactions
12. Gas absorption reaction
13. Degassing of molten metals
14 Kinetics of evaporation and condensation
15 Final test

授業時間外学習

１回当り少なくとも１～２時間の予習･復習を励行すること。
また、4～5回の宿題が出される予定。各宿題では、講義資料や教科書の内容を確認し、レポートを提出する必要がある。

授業時間外学習（Ｅ）

１～２ hours of self study are strongly recommended before or after each lecture. Besides, 4 or 5 homework assignments will be given during this course. Each of them requires reviewing the lecture materials and/or textbook, and submitting a report.

成績評価方法及び基準

定期試験(60％)と宿題・課題のレポート(40％)を総合して評価する。
　但し、定期試験の評価が５０点未満の場合は不合格とする。

成績評価方法及び基準(Ｅ）

Course assessment is based on the point system. Total points will be determined by the weighted average of the student’s scores on home works (40%) and the final test (60%)
Final test is deemd to be failed if its results are evaluated with less than 50 points

教科書および参考書

反応工学反応装置から地球まで, 小宮山宏, 培風館 ISBN/ISSN: 9784563042738 資料種別:参考書
材料工学のための移動現象論, 谷口尚司、八木順一郎著, 東北大学出版会 ISBN/ISSN: 9784925085441

備考

記号A-Mについては、マテリアル・開発系の教育目標を参照してください。
https://www.material.tohoku.ac.jp/department/purpose.html